Upload
others
View
10
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Curs 8
2012/2013
Curs◦ marti, 13-16, P7
◦ 2C 3C
(14-4)*2/3≈6.66
4+6.66=11-0.33
Capitolul 9
Partea I
Avantaje◦ Putere optica ridicata (50mW functionare continua, 4W
functionare in impulsuri)◦ Precizie ridicata a controlului (impulsuri cu latimea de
ordinul fs - femptosecunde) – viteza mare de lucru◦ Spectru ingust, teoretic LASER ofera o singura linie
spectrala◦ Lumina coerenta si directiva (~80% poate fi cuplata in fibra)
Dezavantaje◦ Cost (dispozitiv si circuit de comanda: controlul puterii si al
temperaturii)◦ Durata de viata◦ Senzitivitate crescuta cu temperatura◦ Modulatie analogica dificila (de obicei cu dispozitive
externe)◦ Lungime de unda fixa
LASER = Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation = Amplificarea Luminiiprin Emisie Stimulata
Un foton incident poate cauza prin absorbtietranzitia unui electron pe un nivel energetic superior
Emisia spontana – electronul trece in stareaenergetica de echilibru emitand un foton
Trecerea se realizeaza prin recombinarea uneiperechi electron-gol
Directia si faza radiatiei emise sunt aleatoare
Emisia stimulata – un foton incident cu energie corespunzatoare poate stimula emisiaunui al doilea foton fara a fi absorbit
Noul foton are aceeasi directie si faza cu fotonul incident, Lumina rezultata e coerenta
Recombinarea unei perechi electron-gol necesitaconservarea impulsului
In Si si Ge aceasta conditie presupune aparitiaunui foton intermediar (tranzitie indirecta) a caruienergie se transforma in caldura
Se utilizeaza aliaje de Ga Al As sau In Ga As P
Spatierea atomilor in diferitele straturi trebuie safie egala (toleranta 0.1%) pentru a nu se introduce defecte mecanice la jonctiune◦ limitare a aliajelor utilizabile◦ aparitia defectelor creste ineficienta (recombinari neradiative)
scade durata de viata a dispozitivului
gg
E
hchE ;
h constanta lui Plank 6.62·10-32 Ws2
c viteza luminii in vid2.998·108m/s
Inversiune de populatie◦ necesara deoarece electronii au capabilitatea de a
absorbi energie la aceeasi frecventa la care are loc emisia stimulata
◦ se defineste probabilistic: probabilitatea de emisiestimulata sa fie mai mare decat probabilitatea de absorbtie
Materialele capabile sa genereze inversiunede populatie au starea excitata metastabila
avec pnpn
La un material cu 4 nivele energetice tranzitiaradianta a electronului (3) se termina intr-o stare instabila, starea de echilibru obtinandu-se prin emisia unui fonon
Inversiunea de populatie se obtine mult maiusor datoritaelectronilor din stareaintermediara
Pentru ca emisia stimulata sa apara, fotoniiemisi trebuie sa ramana in contact cu materialul o perioada mai mare de timp – 2 oglinzi necesare
Pentru a permite extragerea radiatiei e necesar ca una din oglinzi sa fie partial reflectanta
Pentru diodele laser utilizate in comunicatiireflectivitatea oglinzilor nu trebuie sa fie foarte mare
Interfata semiconductor aer ofera un coeficient de reflexie de ~6% dar poateajunge la 36% pentru lungimea de unda de operare (vezi lamela dielectrica)
Pentru a realiza◦ coerenta radiatiei
◦ interferenta constructiva intre radiatiile incidente sireflectate de oglinzi,
distanta intre oglinzi trebuie sa fie un multiplu a jumatate din lungimea de unda
Pentru eficientizarea pomparii de energie din
exterior L=100÷200μm, k 400
nkL 0
2
1
fn
ckL
2
0
Definirea directiilor in dioda LASER
Ln
ckfk
2
0
Ln
cf
2
0
Ln
2
20
Castigul diodei laser (eficacitatea aparitieiemisiei stimulate) depinde◦ de caracteristicile energetice ale materialului din
care e realizata dioda
◦ de energia pompata din exterior (curentul prindioda)
Pentru operarea in impulsuri, un salt de λ/4 ingusteaza suplimentar spectrul diodei laser
Se utilizeaza suprafete reflective selective pentru filtrare optica
Amorsarea emisiei stimulate necesitapomparea unei anumite cantitati de energie –curent de prag
A
W
I
Pr o
thII
Curentul de prag variaza cu temperatura si cu timpul
Variatia tipica 1-2%/°C
Dependenta de temperatura a curentului de prag este exponentiala
I0 e o constanta determinata la temperaturade referinta
0/0
TTth eII
Material Lungime de unda T0
InGaAsP 1300 nm 60÷70 K
InGaAsP 1500 nm 50÷70 K
GaAlAs 850 nm 110÷140 K
Gain guided – 8÷20 linii spectrale (5÷8 nm)
Index guided – 1÷5 linii spectrale (1÷3 nm)
Sursa lambertiana
◦ Eficienta cuplarii in fibra
Aproximatie Lambertiana pentru surse cu directivitate crescuta
cos)( 0 PP
nPP cos)( 0
2
2
ss
f
r
aNA
P
P
2
2
1NA
n
P
P
s
f
2
2
2
g
g
r
aNA
P
P
ss
f
La alimentarea cu curent a diodei laser emisiaeste initial spontana, devenind stimulata dupaamorsarea acesteia
emisia spontanaeste un fenomenintrinsec aleator
Intarzierea estevariabila - jitter
Frecventa de oscilatie depinde de indicele de refractie al materialului
Indicele de refractie depinde de concentratiade purtatori
Cand curentul este modulat in impuls apare o modulatie a frecventei luminii cu efectulcresterii latimii spectrale a diodei (un ordin de magnitudine)
Generate de schimbul de energie intre electronisi fotoni
Amorsarea emisiei stimulate duce la descrestereanumarului de electroni in starea excitata, ceea ceduce la micsorarea emisiei de fotoni
Acumularea din nou a electronilor in stareaexcitata duce din nou la cresterea puterii
f1 = 1÷4 GHz
Cresterea vitezei si minimizarea erorilor date de oscilatiile de relaxare si variatiile timpuluide amorsare dioda este partial stinsa in timpul transmisiei unui nivel 0 logic
Raport de stingere
Raportul semnalzgomot scade cu (1-α)
Tipic ER = 10÷15dB
1
H
H
P
PER
Pentru viteze mari se prefera utilizarea emisieicontinue si modulareaoptica a radiatiei
In LiNbO3 viteza luminiidepinde de campulelectric, ceea ce permiteintroducerea unui defazajegal π
Creste complexitateacircuitului de control
Tensiuni de 4÷6 Vnecesare
Jonctiunea intre doua materiale conductoarediferite poate genera sau absorbi caldura in functie de sensul curentului
Tipic se utilizeaza doua regiunisemiconductoare puternic dopate (tipic teluritde bismut) conectate electric in serie iartermic in paralel
Mode hopping – salt de mod (hole burning)
RIN – Relative Intensity Noise (generat de emisiaspontana)
Zgomot de faza (idem) – necesitatea modulatiei in amplitudine
Zgomot intercavitati (reflexiile din exterior in zonaactiva)
Drift – variatia parametrilor cu varsta si temperatura(in special distanta intre oglinzi)
Heterojunctiuneingropata
Heterojunctiunemuchie (ridge)
Concentrare verticala a purtatorilor◦ Electronii sunt atrasi din zona n in zona activa◦ O bariera energetica existenta intre zona activa si
zona n concentreaza electronii in zona activa◦ Situatie similara corespunzatoare golurilor◦ Purtatorii sunt concentrati in zona activa, crescand
eficienta
Cand lumina e pastrata in cavitati mai micidecat lungimea de unda nu mai poate fimodelata prin unda, modelul devine cuantic
Daca inaltimea zonei active scade la 5-20 nm comportarea diodei laser se schimba◦ energia necesara pentru inversarea de populatie se
reduce, deci curentul de prag scade
◦ dimensiunea redusa a zonei active duce la scadereaputerii maxime
multiple straturi subtiri suprapuse – Multiple Quantum Well
Avantaje◦ curent de prag redus
◦ stabilitate crescuta a frecventei la functionarea in impuls
◦ latime mica a liniilor spectrale
◦ zgomot redus
1565 nm
RL +0.00 dBm5.0 dB/DIV
1545 nm
Emisie spontanăAmplificată (ASE)
Canale: 16Spaţiere: 0.8 nm
Necesitate◦ In sistemele WDM exista necesitatea (in propuneri
pentru arhitecturi viitoare de retele) pentru reglajfoarte rapid al lungimii de unda pe un anume canal - zeci de ns
◦ In aceleasi sisteme intervine necesitatea rutarii prinlungime de unda - timp de reglaj necesar de ordinul secundelor)
◦ realizarea cererilor de date - timp de reglaj de ordinul sute de μs
◦ reglarea emitatorilor individuali in sistemele WDM lipsa necesitatii controlului strict la productia diodelor
degradarea lungimii de unda in timp
Curentul trece prin zona activa ducand la amplificarea luminii
curentul ce parcurge zona corespunzatoarereflectorului Bragg modifica indicele de refractieal acestei zone deci lungimea de unda
zona centrala suplimentara permite reglaj fin suplimentar in jurul valorii impuse de reflectorulBragg
Dezavantajul metodelor anterioare e dat de limita redusa a reglajului (~10nm)
Reflectorul Bragg esantionat (periodic) produce spectru de filtrare discret
Regland unul din reflectori se obtinerezonanta la suprapunerea celor douaspectre
Dezavantaj : reglajul e discret
Oglinzile pot fi realizate din straturisuccesive din semiconductori cu indici de refractie diferiti – reflector Bragg
Prelucrarea laterala se rezuma la taierea materialului
Numarul total de straturi poate ajunge la 500
Caracteristici
puteri de ordinul 1mW
lungimi de unda 850 si 980 nm
radiatie de iesire circulara cu divergentaredusa
Caracteristici◦ VCSEL produce mai multe moduri transversale
insensibila la pierderile selective la mod din fibrele multimod (principala limitare in utilizarea diodelor laser in fibrele multimod)
◦ Curenti de prag foarte mici (5mA) si putere disipata redusa
circuite de control speciale nu sunt necesare
◦ Banda de modulatie mare (2.4GHz)
◦ Stabilitate mare cu temperatura si durata de viata
Dependenta de temperatura a curentului de prag este exponentiala
I0 e o constanta determinata la temperaturade referinta
0/0
TTth eII
Material Lungime de unda T0
InGaAsP 1300 nm 60÷70 K
InGaAsP 1500 nm 50÷70 K
GaAlAs 850 nm 110÷140 K
Puterea scade in timp exponential
τm – timpul de viata
Diodele laser sunt supuse la conditii extreme de lucru◦ densitati de curent in zona activa 2000÷5000A/cm2
◦ densitati de putere optica: 105÷106 W/cm2
Diverse definitii ale timpului de viata faccomparatiile dificile
mtePtP /0
Laboratorul de microunde si optoelectronica
http://rf-opto.etti.tuiasi.ro